留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

中国空间站燃烧科学实验系统PIV单元地面试验测试

何丽芳 郑会龙 王希坤 杨肖芳 张晓武

何丽芳, 郑会龙, 王希坤, 杨肖芳, 张晓武. 中国空间站燃烧科学实验系统PIV单元地面试验测试[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2022.06.211123121
引用本文: 何丽芳, 郑会龙, 王希坤, 杨肖芳, 张晓武. 中国空间站燃烧科学实验系统PIV单元地面试验测试[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2022.06.211123121
HE Lifang, ZHENG Huilong, WANG Xikun, YANG Xiaofang, ZHANG Xiaowu. Ground Experiment Investigation of PIV Unit for Combustion Science Experimental System of China Space Station (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11728/cjss2022.06.211123121
Citation: HE Lifang, ZHENG Huilong, WANG Xikun, YANG Xiaofang, ZHANG Xiaowu. Ground Experiment Investigation of PIV Unit for Combustion Science Experimental System of China Space Station (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11728/cjss2022.06.211123121

中国空间站燃烧科学实验系统PIV单元地面试验测试

doi: 10.11728/cjss2022.06.211123121
基金项目: 中国载人航天工程计划燃烧科学实验系统项目资助
详细信息
    作者简介:

    何丽芳:E-mail:helifang@iet.cn

    通讯作者:

    郑会龙,E-mail:zhenghuilong@iet.cn

  • 中图分类号: V524

Ground Experiment Investigation of PIV Unit for Combustion Science Experimental System of China Space Station

  • 摘要: 中国空间站燃烧科学实验系统是用于开展微重力燃烧实验研究的综合性科学实验平台,可以实现燃烧流场测量。为了验证燃烧科学实验系统粒子图像测速(PIV)单元对燃烧流场测量的功能与可行性,本文基于与在轨状态一致的连续激光器和相机的空间布局,搭建了地面层流圆孔射流试验平台,选取Al2O3,TiO2,ZrO2三种示踪粒子进行冷态试验与热态试验。试验结果表明:自主研制Nd: YVO4泵浦连续激光器偏光角度合适,能照亮被测流场主流区域,燃烧科学实验系统PIV单元可用于低速燃烧流场测量;相同工况下,Al2O3粒子在冷态试验测量的速度值更接近于理论值,速度幅值比更接近1,更适用于低速流体测量。

     

  • 图  1  燃烧科学实验系统PIV单元

    Figure  1.  Combustion Science Experimental System of PIV unit

    图  2  试验系统

    Figure  2.  Schematic of experimental system

    图  3  三种示踪粒子在相同试验工况下的冷态射流

    Figure  3.  Three tracer particles under the same non-reacting condition

    图  4  三种示踪粒子的冷态速度矢量云图

    Figure  4.  Velocity vector plots of the three tracer particles under non-reacting flow field

    图  5  不同射流断面的速度分布与Al2O3粒子归一化速度分布

    Figure  5.  Velocity profiles at different jet sections and normalized velocity of Al2O3 particles

    图  6  三种示踪粒子沿射流中心轴上的速度分布

    Figure  6.  Velocity distribution of the three tracer particles along the central axis of the jet

    图  7  相同热态试验工况下的粒子信息场

    Figure  7.  Particle information field under the same reacting condition

    图  8  Al2O3粒子测量的热态流场

    Figure  8.  Velocity plot measured by Al2O3 particles

    表  1  激光流场诊断技术

    Table  1.   Laser diagnostic technology of flow field

    测速方法测量原理测量特点不足
    粒子图像测速技术(PIV) 粒子示踪
    激光散射
    粒子成像
    互相关算法
    特定波长激光激发
    粒子成像可见性
    多点瞬时流场
    需添加示踪粒子
    激光多普勒测速技术(LDV) 粒子示踪
    激光散射
    光电转换
    多普勒频移
    单一频率激光激发
    分光、聚焦光路
    光信号收集与检测
    需添加示踪粒子
    单点测量
    激光诱导荧光技术(LIF) 分子示踪
    激光诱导荧光
    光谱比分法
    紫外调谐激光激发
    多种组分
    定性化测量
    荧光弱、时间短
    吸收波段窄
    可调谐二极管激光吸收光谱技术 (TDLAS) 分子示踪
    零吸收基线拟合
    多普勒频移
    激光激发
    吸收中心频移
    分光、聚焦光路
    空间分辨率低
    下载: 导出CSV

    表  2  连续激光器与高速相机主要技术参数

    Table  2.   Main parameters of camera and laser

    连续激光器高速相机
    激光器类型Nd: YVO4相机型号PCO.DIMAX.CS1 (黑白版本)
    尺寸/mm211×190×344尺寸/mm85×85×102.5
    质量/kg7.9 (不含水冷)质量/kg0.985 (含C-mount)
    激光功率/W10曝光时间/ms0.0015~40
    功率稳定性小于3% (RMS)像元尺寸/μm11×11
    波长/nm532图像拍摄速率/(frame·s–1)3086 (满分辨率1296 pixel×1024 pixel)
    偏光角度/(°)15ISO灵敏度1250~16000
    下载: 导出CSV

    表  3  示踪粒子物理特性

    Table  3.   Physics properties of the three trace particles used

    粒子类型粒径/μm密度/(kg·m–3)熔点/℃粒子响应时间(×10–6)/s密度比相对折射指数
    Al2O30.3~0.5210020541.5781627.91.765
    TiO20.3~0.5314018402.3622434.12.61
    ZrO20.3~0.5711027005.3495511.62.17
    下载: 导出CSV
  • [1] 孔文俊, 张孝谦. 微重力环境下燃烧科学研究的机遇与进展[J]. 燃烧科学与技术, 1997, 3(4): 424-436

    KONG Wenjun, ZHANG Xiaoqian. Opportunities and progress of research on combustion in microgravity[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 1997, 3(4): 424-436
    [2] 赵建福, 王双峰, 刘强, 等. 中国微重力科学研究回顾与展望[J]. 空间科学学报, 2021, 41(1): 34-45 doi: 10.11728/cjss2021.01.034

    ZHAO Jianfu, WANG Shuangfeng, LIU Qiang, et al. Retrospect and perspective on microgravity science in China[J]. Chinese Journal of Space Science, 2021, 41(1): 34-45 doi: 10.11728/cjss2021.01.034
    [3] IRACE P H, LEE H J, WADDELL K, et al. Observations of long duration microgravity spherical diffusion flames aboard the international space station[J]. Combustion and Flame, 2021, 229: 111373 doi: 10.1016/j.combustflame.2021.02.019
    [4] LIN K C, FAETH G M, SUNDERLAND P B, et al. Shapes of nonbuoyant round luminous hydrocarbon/air laminar jet diffusion flames[J]. Combustion and Flame, 1999, 116(3): 415-431 doi: 10.1016/S0010-2180(98)00100-X
    [5] DOTSON K, SUNDERLAND P, YUAN Z G, et al. Laminar smoke points in coflow measured aboard the international space station[C]//Proceedings of the 48 th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Orlando, Florida: AIAA, 2010
    [6] FAROUK T I, HICKS M C, DRYER F L. Multistage oscillatory “Cool Flame” behavior for isolated alkane droplet combustion in elevated pressure microgravity condition[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35(2): 1701-1708 doi: 10.1016/j.proci.2014.06.015
    [7] YOSHIDA Y, IWAI K, NAGATA K, et al. Flame-spread limit from interactive burning droplets in microgravity[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2019, 37(3): 3409-3416 doi: 10.1016/j.proci.2018.07.106
    [8] YOSHIDA Y, SEO T, MIKAMI M, et al. Temperature-field analysis of flame spread over droplet-cloud elements with interactive droplets in microgravity aboard Kibo on ISS[J]. International Journal of Microgravity Science and Application, 2019, 36(3): 360303
    [9] KIMZEY J H. Skylab experiment M479 Zero gravity flammability[C]//Proceedings of the 3 rd Space Processing Symposium on Skylab Results. Skylab Results: 1974: 115-130
    [10] LI Y J, LIAO Y T T, FERKUL P V, et al. Experimental study of concurrent-flow flame spread over thin solids in confined space in microgravity[J]. Combustion and Flame, 2021, 227: 39-51 doi: 10.1016/j.combustflame.2020.12.042
    [11] WU C J, HUANG X Y, WANG S F, et al. Opposed flame spread over cylindrical PMMA under oxygen-enriched microgravity environment[J]. Fire Technology, 2020, 56(1): 71-89 doi: 10.1007/s10694-019-00896-8
    [12] 王双峰, 尹永利. 卫星搭载聚氨酯泡沫闷烧实验[J]. 空间科学学报, 2008, 28(1): 22-27 doi: 10.11728/cjss2008.01.022

    WANG Shuangfeng, YIN Yongli. Microgravity smoldering combustion experiments aboard the China recoverable satellite SJ-8[J]. Chinese Journal of Space Science, 2008, 28(1): 22-27 doi: 10.11728/cjss2008.01.022
    [13] 杨斌, 齐宗满, 杨荟楠, 等. 基于TDLAS的燃烧流场速度测量方法[J]. 燃烧科学与技术, 2015, 21(6): 516-520

    YANG Bin, QI Zongman, YANG Huinan, et al. Velocity measurement method based on TDLAS for combustion flow[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2015, 21(6): 516-520
    [14] 张振忠, 孔文俊, 张华良. 空间站燃烧科学实验系统设计[J]. 空间科学学报, 2020, 40(1): 72-78 doi: 10.11728/cjss2020.01.072

    ZHANG Zhenzhong, KONG Wenjun, ZHANG Hualiang. Design of combustion science experimental system for China space station[J]. Chinese Journal of Space Science, 2020, 40(1): 72-78 doi: 10.11728/cjss2020.01.072
    [15] 王振南, 张扬, 吴玉新, 等. PIV对射流煤粉火焰流场特性的分析[J]. 工程热物理学报, 2015, 36(6): 1356-1359

    WANG Zhennan, ZHANG Yang, WU Yuxin, et al. Analysis on flow field of coal jet flame using PIV[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2015, 36(6): 1356-1359
    [16] 李志平. 激光粒子图像测量中示踪粒子特性及实验方法研究[D]. 天津: 天津大学, 2007

    LI Zhiping. Research on the Features of Particle Tracers and Experimental Technique of Laser Particle Image Measurement[D]. Tianjin: Tianjin University, 2007
    [17] 唐春晓. 基于多光谱成像的数字粒子图像测速技术研究[D]. 天津: 天津大学, 2010

    TANG Chunxiao. Study of Digital Particle Image Velocimetry Based on Multispectral Imaging[D]. Tianjin: Tianjin University, 2010
    [18] 平浚. 射流理论基础及应用[M]. 北京: 宇航出版社, 1995

    PING Jun. Theoretical Basis and Application of Jet[M]. Beijing: Yuhang Publishing House, 1995
    [19] 赵伟伟, 张栋, 史强, 等. 焙烧温度对TiO2粉末的微结构及光催化特性的影响[J]. 中国科技信息, 2011(19): 72-73

    ZHAO Weiwei, ZHANG Dong, SHI Qiang, et al. Effect of calcination temperature on the structure and photocatalytic properties of TiO2 powder[J]. China Science and Technology Information, 2011(19): 72-73
    [20] 特纳斯. 燃烧学导论: 概念与应用[M]. 姚强, 李水清, 王宇, 译. 3版. 清华大学出版社, 2015

    TURNS S R. An Introduction to Combustion: Concepts and Applications[M]. YAO Qiang, LI Shuiqing, WANG Yu, trans. 3 rd ed. Beijing: Tsinghua University Press, 2015
  • 加载中
图(8) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  11
  • HTML全文浏览量:  9
  • PDF下载量:  5
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-19
  • 修回日期:  2022-04-26
  • 网络出版日期:  2022-11-09

目录

    /

    返回文章
    返回